RU2088028C1

RU2088028C1 - Electric motor (options)

Info

Publication number: RU2088028C1
Application number: RU94044756A
Authority: RU
Inventors: Е.И. Ефименко
Original assignee: Чувашский государственный университет
Priority date: 1994-12-19
Filing date: 1994-12-19
Publication date: 1997-08-20
Also published as: RU94044756A

Abstract

FIELD: low- and medium-power induction and synchronous machines. SUBSTANCE: electric motor has salient-pole stator with four poles and stator winding built up of four concentrated coils, two coils per phase; laminated poles are made of axial plates and axially halved; on external side, halves are joined together through jumper and stator coils are wound either on jumpers or on each pole half; poles are of rectangular section and flush-mounted on internal side in cylindrical shell laminated of plates perpendicular to pole plates; rotor is also halved in axial direction; induction motor has additional end ring placed between two halves of squirrel-cage rotor; synchronous option of motor has field poles of two rotor halves of opposing polarity in any longitudinal section; exciting field can be set up by field winding whose coils are wound on each rotor half or by permanent magnets; round holes provided in magnetic shell in center between pole seats can be used to receive rivets; additional internal slits are made on either side of these holes. EFFECT: reduced input of active materials, improved starting and running characteristics, improved reliability, facilitated manufacture. 10 cl, 4 tbl

Description

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано при производстве электрических машин, например, асинхронных и синхронных двигателей малой и средней мощности. The invention relates to electrical engineering and can be used in the manufacture of electrical machines, for example, asynchronous and synchronous motors of small and medium power.

Как известно, в электрических машинах переменного тока с целью получения кривой распределения поля, близкой к синусоидальной, обмотки выполняют в виде распределенных по пазам секций. При этом существенно усложняются конструкция машины и технология изготовления обмоток. As is known, in AC electric machines, in order to obtain a field distribution curve that is close to sinusoidal, the windings are made in the form of sections distributed over grooves. At the same time, the design of the machine and the technology of manufacturing the windings are significantly complicated.

С целью упрощения конструкции и технологии изготовления двигатели малой мощности часто выполняют с явнополюсным статором и сосредоточенными обмотками на нем. Таковы, например, двигатели серии ДКВ ("Справочник по электрическим машинам" под ред. Копылова И.П. М. Энергоатомиздат, 1989, т.2, с. 649). Эти двигатели имеют две фазы, расположенные на отдельных полюсах, причем на каждом полюсном делении машины размещаются два явновыраженных полюса (по одному на каждую фазу). In order to simplify the design and manufacturing technology, low-power motors are often performed with an explicit pole stator and concentrated windings on it. Such, for example, are the engines of the DKV series ("Handbook of Electric Machines" edited by IP Kopylov, M.P. Energoatomizdat, 1989, v.2, p. 649). These motors have two phases located at separate poles, with two clearly defined poles (one for each phase) at each pole division of the machine.

Основными недостатками таких двигателей являются недостаточное использование магнитной системы и кривая распределения поля, далекая от синусоидальной (близкая к прямоугольной). В двигателях с распределенными обмотками зоны действия отдельных фаз перекрывают друг друга, каждая фаза действует на всей окружности зазора. В явнополюсных же двигателях зона действия полюсов одной фазы не может перекрывать зону действия полюсов другой и в двигателе с двухполюсным, например, магнитным полем приходится размещать четыре явновыраженных полюса. При этом ширина дуги каждого полюса будет меньше половины полюсного деления, а зона действия фазы меньше половины окружности зазора, использование магнитной системы неполное. The main disadvantages of such motors are the insufficient use of the magnetic system and the field distribution curve, far from sinusoidal (close to rectangular). In motors with distributed windings, the zones of action of the individual phases overlap each other, each phase acts on the entire circumference of the gap. In explicitly polar motors, the zone of action of the poles of one phase cannot overlap the zone of action of the poles of the other, and in a motor with a bipolar, for example, magnetic field, four clearly defined poles must be placed. In this case, the width of the arc of each pole will be less than half of the pole division, and the area of the phase is less than half the circumference of the gap, the use of the magnetic system is incomplete.

Более близким к предлагаемому изобретению является двухфазный двигатель с двумя парами явновыраженных полюсов с сосредоточенными катушками, одна пара полюсов смещена по окружности к другой паре на 90^o и в аксиальном направлении на величину, приблизительно равную осевому размеру полюса а. св. N 169664, кл. H 02 K 17/10).Closer to the proposed invention is a two-phase motor with two pairs of distinct poles with lumped coils, one pair of poles is circumferentially offset to another pair by 90 ^° and in the axial direction by an amount approximately equal to the axial dimension of the pole a. St. N 169664, cl. H 02 K 17/10).

Недостатки этого двигателя заключаются, во-первых, в то, что поле каждой пары полюсов действует на ротор только в той аксиальной части, где они расположены, т.е. использование магнитной системы остается неполным, а во-вторых, кривая распределения поля близка к прямоугольнику и содержит большой процент высших пространственных гармонических, ухудшающих работу двигателя. The disadvantages of this motor are, firstly, that the field of each pair of poles acts on the rotor only in the axial part where they are located, i.e. the use of the magnetic system remains incomplete, and secondly, the field distribution curve is close to a rectangle and contains a large percentage of higher spatial harmonics that degrade the operation of the engine.

В предлагаемом электродвигателе повышается использование магнитной системы, уменьшается расход активных материалов, улучшаются пусковые и рабочие характеристики за счет приближения кривой распределения магнитного поля к синусоидальной, несмотря на применение сосредоточенной обмотки, достигается повышение надежности и технологичности двигателя. In the proposed electric motor, the use of a magnetic system is increased, the consumption of active materials is reduced, starting and performance characteristics are improved due to the approach of the magnetic field distribution curve to a sinusoidal one, despite the use of a concentrated winding, an increase in the reliability and manufacturability of the motor is achieved.

Предлагается электродвигатель переменного тока, содержащий статор, каждая фаза которого включает диаметрально расположенные явновыраженные полюса с сосредоточенными катушками, полюса статора состоит из двух аксиально расположенных половин, соединенных перемычкой, при этом полюса и перемычки шихтованы из пластин, плоскости которых параллельны аксиальной плоскости, образуемой осью данного полюса и осью двигателя, полюсы расположены в прямоугольных гнездах цилиндрической обоймы, шихтованной из пластин, перпендикулярных пластин полюсов, а ротор размещен внутри обоймы и состоит из двух аксиально расположенных половин. An alternating current electric motor is proposed, comprising a stator, each phase of which includes diametrically located clearly defined poles with lumped coils, the stator poles consists of two axially spaced halves connected by a jumper, while the poles and jumpers are lined with plates whose planes are parallel to the axial plane formed by the axis of this the poles and the axis of the motor, the poles are located in rectangular sockets of a cylindrical cage, lined with plates perpendicular to the field s, and the rotor is placed inside the cage and comprises two axially extending halves.

В зависимости от конструкции ротора предлагаемый электродвигатель имеет два варианта асинхронный и синхронный. Depending on the design of the rotor, the proposed electric motor has two options asynchronous and synchronous.

В асинхронном варианте двигатель имеет ротор с короткозамкнутой обмоткой, состоящей из стержней, соединенных в торцах ротора короткозамыкающими кольцами, а между двумя половинами ротора расположено диагональное короткозамыкающее кольцо. In the asynchronous version, the motor has a squirrel-cage rotor consisting of rods connected by short-circuiting rings at the ends of the rotor, and a diagonal short-circuiting ring is located between the two halves of the rotor.

В синхронном варианте ротор имеет источник постоянного возбуждения, а в двух половинах ротора полярности полюсов поля от источника постоянного возбуждения противоположны. In the synchronous version, the rotor has a source of constant excitation, and in two halves of the rotor the polarities of the poles of the field from the source of constant excitation are opposite.

Две половины каждого полюса статора и перемычка между ними могут быть выполнены шихтованными за одно целое из скобообразных пластин. Two halves of each pole of the stator and a jumper between them can be made lined in one piece from staple-shaped plates.

Кроме того, сосредоточенные катушки статора могут быть расположены либо на перемычках, соединяющих половины полюсов, либо непосредственно на каждой из двух половин полюсов. In addition, the concentrated stator coils can be located either on jumpers connecting the halves of the poles, or directly on each of the two halves of the poles.

Кроме того, в магнитной обойме посередине между гнездами для полюсов могут быть выполнены круглые отверстия, а по обе стороны от них - дополнительные внутренние прорези. In addition, round holes can be made in the magnetic holder in the middle between the pole sockets, and additional internal slots can be made on both sides of them.

На фиг.1 показано продольное, на фиг.2 поперечное сечение предлагаемого двигателя в асинхронном варианте с расположением сосредоточенных катушек статора на перемычках между половинами полюсов; на фиг.3 продольное сечение предлагаемого двигателя в синхронном варианте с расположением катушек статора на полюсах и со специальной обмоткой возбуждения, обтекаемой постоянным током, в качестве источника постоянного возбуждения; на фиг.4 эскиз ротора синхронного варианта двигателя при использовании в качестве источника постоянного возбуждения постоянных магнитов. Figure 1 shows a longitudinal, figure 2 cross-section of the proposed engine in an asynchronous version with the location of the concentrated stator coils on the jumpers between the halves of the poles; figure 3 is a longitudinal section of the proposed engine in a synchronous version with the location of the stator coils at the poles and with a special field winding, streamlined by direct current, as a source of constant excitation; figure 4 sketch of the rotor of a synchronous version of the engine when used as a source of constant excitation of permanent magnets.

Двигатель имеет явнополюсную конструкцию статора с полюсами 1 4 (полюса 1 и 3 принадлежат одной фазе, полюса 2 и 4 другой). Обмотка статора выполнена из сосредоточенных катушек 5. Каждый из полюсов 1 4 состоит из двух половин 7 и 6, связанных перемычкой 8. Полюса и перемычки выполнены шихтованными из пластин, плоскости которых параллельны аксиальной плоскости, образуемой осью данного полюса и осью двигателя. Полюса установлены в гнездах цилиндрической обоймы 9, шихтованной из пластин, перпендикулярных пластинами полюса. Ротор также состоит из двух аксиально расположенных половин 10 и 11. The motor has a clearly polar stator design with poles 1 4 (poles 1 and 3 belong to one phase, poles 2 and 4 to the other). The stator winding is made of lumped coils 5. Each of poles 1 4 consists of two halves 7 and 6 connected by a jumper 8. The poles and jumpers are made of lamellae of plates whose planes are parallel to the axial plane formed by the axis of this pole and the axis of the motor. The poles are installed in the nests of the cylindrical cage 9, lined with plates perpendicular to the pole plates. The rotor also consists of two axially spaced halves 10 and 11.

Двигатель может быть выполнен в асинхронном варианте с ротором с короткозамкнутой обоймой, состоящей из стержней 12 (фиг.1), проходящих через обе половины ротора и соединенных в торцах ротора короткозамыкающими кольцами 13 и 14. Отличительной особенностью предлагаемого двигателя является выполнение дополнительного короткозамыкающего кольца 15, расположенного между двумя половинами ротора.0при отсутствии этого кольца токи двух половин ротора компенсировали бы друг друга. The engine can be made in an asynchronous version with a squirrel-cage rotor, consisting of rods 12 (Fig. 1) passing through both halves of the rotor and connected at the rotor ends by short-circuiting rings 13 and 14. A distinctive feature of the proposed engine is the implementation of an additional short-circuiting ring 15, located between the two halves of the rotor. 0 in the absence of this ring, the currents of the two halves of the rotor would cancel each other out.

Другой вариант двигателя синхронный, который обладает той же совокупностью отличительных признаков, относящихся к конструкции статора что и в предыдущем двигателе, имеет ротор с источником постоянного возбуждения. Ротор тоже разделен на две половины, причем полярности полюсов поля от источника постоянного возбуждения противоположны в разных половинах. В качестве источников постоянного возбуждения может использоваться или обмотка возбуждения 16, катушки которой 16,а и 16,б охватывают обе половины ротора (фиг.3), или постоянные магниты 17, разделенные на две половины 17 а и 17 б (фиг.4). Another variant of the synchronous motor, which has the same set of distinctive features related to the stator design as in the previous motor, has a rotor with a constant excitation source. The rotor is also divided into two halves, and the polarities of the poles of the field from the source of constant excitation are opposite in different halves. As sources of constant excitation can be used either the excitation winding 16, the coils of which 16, a and 16, b cover both halves of the rotor (figure 3), or permanent magnets 17, divided into two halves 17 a and 17 b (figure 4) .

Обе половины каждого полюса и перемычка между ними могут быть выполнены за одно целое из скобообразных пластин, как это изображено на фиг.1 и 3. При этом повышается технологичность изготовления двигателя и уменьшается расход электротехнической стали. Сосредоточенные катушки статора 5 могут быть расположены на перемычках (фиг. 1), а также на каждой из двух половин каждого полюса (фиг. 3). 0в последнем случае вместо одной катушки выполняются две полукатушки 5 а и 5 б. Способ размещения катушек определяется необходимой степенью защищенности обмотки статора и условиями крепления двигателя. Both halves of each pole and the jumper between them can be made in one piece from staple-shaped plates, as shown in figures 1 and 3. This increases the manufacturability of the motor and reduces the consumption of electrical steel. Concentrated stator coils 5 can be located on jumpers (Fig. 1), as well as on each of the two halves of each pole (Fig. 3). In the latter case, instead of one coil, two half-coils of 5 a and 5 b are made. The method of placement of the coils is determined by the necessary degree of protection of the stator winding and the conditions for mounting the motor.

В магнитной обойме 9 посередине между гнездами для полюсов выполнены сквозные круглые отверстия 18, которые могут использоваться под заклепки, а по обе стороны от этих отверстий могут быть сделаны дополнительные внутренние прорези 19. Размеры отверстий 18 и прорезей 19, места расположения прорезей 19 определяются исходя из получения необходимой кривой распределения магнитных полей фаз статора вдоль окружности ротора, которая должна быть как можно ближе к синусоидальной. In the magnetic sleeve 9 in the middle between the sockets for poles, through holes 18 are made that can be used for rivets, and additional internal slots 19 can be made on both sides of these holes. The dimensions of the holes 18 and the slots 19, the location of the slots 19 are determined based on obtaining the necessary curve of the distribution of the magnetic fields of the phases of the stator along the circumference of the rotor, which should be as close to sinusoidal as possible.

Двигатель работает следующим образом. Как в асинхронном, так и в синхронном двигателях статорная система создает вращающееся магнитное поле. Как известно, идеальное вращающееся поле образуется в результате наложения двух (если машина двухфазная) синусоидально распределенных, сдвинутых в пространстве на 90^o и во времени на четверть периода изменения токов пульсирующих полей. Одно пульсирующее поле создается катушками 5 фазы, расположенными на полюсах 1 и 3. Силовые линии этого поля показаны на фиг.1 и 2 пунктиром. Другое пульсирующее поле создается фазой, катушки 5 которой расположены на полюсах 2 и 4, его ось сдвинута по отношению к оси первого поля на 90^o. Сдвиг во времени обеспечивается системой питания. В предлагаемом двигателе, как и в машинах с распределенной обмоткой, зоны действия двух фаз перекрывают друг друга, каждая фаза создает поле по всей окружности зазора. Распределение поля каждой фазы близко к синусоидальному. Сопряжение взаимно перпендикулярных пластин полюсов 1 4 обоймы 9 дает следующий эффект: магнитные проводимости части обоймы расположены под полюсами для поля, созданного катушками, расположенными на этих полюсах, и поля от катушек на других полюсах существенно различны. Так, в зоне некоторых точек (фиг.2) силовые линии "своего" поля от катушек полюсов 1 и 3 при прохождении поперек узкой части вставки практически невстречают магнитного сопротивления. В то же время поле фазы, расположенной на полюсах 2 и 4, проходит здесь вдоль узкой части магнитной вставки, насыщает его вдоль этого направления и, встречая большое магнитное сопротивление, вытесняется в ротор. Лишь небольшая часть поля фазы 2 4 шунтируется обоймой (проходит мимо ротора). Поперек же листов "чужих" полюсов поля вообще практически не проходят.The engine operates as follows. In both asynchronous and synchronous motors, the stator system creates a rotating magnetic field. As you know, an ideal rotating field is formed as a result of the superposition of two (if the machine is two-phase) sinusoidally distributed, shifted in space by 90 ^o and in time by a quarter of the period of change in the currents of pulsating fields. One pulsating field is created by phase 5 coils located at the poles 1 and 3. The field lines of this field are shown in dashed lines in FIGS. 1 and 2. Another pulsating field is created by a phase, coils 5 of which are located at the poles 2 and 4, its axis is shifted relative to the axis of the first field by 90 ^o . The time shift is provided by the power system. In the proposed engine, as in machines with a distributed winding, the zones of action of two phases overlap each other, each phase creates a field around the entire circumference of the gap. The field distribution of each phase is close to sinusoidal. The pairing of mutually perpendicular plates of the poles 1 4 of the yoke 9 gives the following effect: the magnetic conductivity of the part of the yoke is located under the poles for the field created by the coils located at these poles, and the fields from the coils at the other poles are significantly different. So, in the area of some points (figure 2) the lines of force of the "own" field from the coils of poles 1 and 3 when passing across the narrow part of the insert practically do not meet magnetic resistance. At the same time, the field of the phase located at poles 2 and 4 passes here along the narrow part of the magnetic insert, saturates it along this direction, and, encountering great magnetic resistance, is forced into the rotor. Only a small part of the phase 2-4 field is shunted by a clip (passes by the rotor). Across the sheets of "alien" poles, the fields practically do not pass at all.

Аналогично, в зоне других точек поле фазы 2 4 проходит свободно, а поле фазы 1 3 встречает большое сопротивление и вытесняется в ротор. Область действия поля фазы 1 3 простирается от одной точки до другой точки как с верхней, так и с нижней сторон с максимумами в точках, т.е. включает в себя всю окружность зазора. Similarly, in the zone of other points, the field of phase 2 4 passes freely, and the field of phase 1 3 encounters great resistance and is displaced into the rotor. The field of action of the phase 1–3 field extends from one point to another point both from the upper and lower sides with maxima at the points, i.e. includes the entire circumference of the gap.

Характер кривой распределения поля каждой фазы регулируется выбором соотношений между шириной полюса, толщиной магнитной обоймы в межполюсном пространстве и под полюсом, величиной диаметра отверстия 18 под заклепки, скрепляющие обойму, расположением и величиной прорезей 19 оптимально выбранных соотношений между указанными величинами получить распределение, близкое к синусоидальному. The nature of the field distribution curve of each phase is governed by the choice of relations between the width of the pole, the thickness of the magnetic cage in the interpolar space and under the pole, the diameter of the hole 18 for rivets fastening the cage, the location and size of the slots 19 of the optimally selected ratios between the indicated values to obtain a distribution close to sinusoidal .

В двух разных аксиальных половинах ротора силовые линии поля любой фазы направлены в противоположные стороны (фиг.1). В каждой половине машины создается свое вращающееся поле. Поля двух половин вращаются в одну и ту же сторону, но в любое мгновение вдоль любой аксиальной линии на цилиндрической поверхности ротора находятся в противофазе. Поэтому эти поля наводят в стержнях короткозамкнутой обмотки ротора (1-й вариант выполнения двигателя) токи, направленные в разных половинах навстречу друг другу. При отсутствии внутреннего кольца 15 эти токи компенсировали бы друг друга. При наличии же кольца 15 токи в стержнях сохраняются, их взаимодействие с вращающимся полем статора дает вращающий момент, действующий на обе половины ротора в одну и ту же сторону. Во втором, синхронном варианте двигателя на роторе имеется источник постоянного возбуждения или обмотка возбуждения 16 (фиг.3), или постоянные магниты (фиг.4). В двух разных аксиальных половинах ротора полярности полюсов поля возбуждения противоположны. In two different axial halves of the rotor, the field lines of the field of any phase are directed in opposite directions (Fig. 1). Each half of the machine creates its own rotating field. The fields of the two halves rotate in the same direction, but at any moment along any axial line on the cylindrical surface of the rotor are in antiphase. Therefore, these fields induce currents directed in opposite halves towards each other in the rods of the short-circuited rotor winding (1st embodiment of the motor). In the absence of an inner ring 15, these currents would cancel each other out. If there is a ring 15, the currents in the rods are preserved, their interaction with the rotating field of the stator gives a torque acting on the same side on both halves of the rotor. In the second, synchronous version of the motor, the rotor has a source of constant excitation or a field coil 16 (Fig. 3), or permanent magnets (Fig. 4). In two different axial halves of the rotor, the polarities of the poles of the poles of the field of excitation are opposite.

В известных двигателях с явнополюсным статором полюса соединяются с внешней стороны цилиндрическими ярмами. На это расходуется довольно много электрической стали, особенно в двухполюсных машинах. В предлагаемом двигателе ярма по существу отсутствуют. Их функции выполняет небольшая перемычка между половинами полюсов статора, длина перемычки определяется лишь размерами катушек. Кроме того, средняя длина витка катушек статора намного меньше, чем у распределенной обмотки, поскольку здесь катушка охватывает лишь перемычку или полюса, в которых может быть допущена большая концентрация магнитного поля. In known motors with an explicit pole stator, the poles are connected externally by cylindrical yokes. This consumes quite a lot of electric steel, especially in bipolar machines. In the proposed engine yokes are essentially absent. Their functions are performed by a small jumper between the halves of the stator poles; the length of the jumper is determined only by the dimensions of the coils. In addition, the average coil length of the stator coils is much shorter than that of a distributed winding, since here the coil covers only a jumper or poles in which a large concentration of the magnetic field can be allowed.

Таким образом, есть основания утверждать, что предлагаемый двигатель совмещает достоинства двигателей с распределенной обмоткой (возможность формирования и регулирования кривой поля) и явнополюсных двигателей с сосредоточенными катушками (простота, технологичность, надежность), а также позволяет существенно уменьшить расход активных материалов (электротехнической стали, меди.). Thus, there is reason to argue that the proposed engine combines the advantages of motors with a distributed winding (the possibility of forming and adjusting the field curve) and explicitly pole motors with concentrated coils (simplicity, manufacturability, reliability), and also significantly reduces the consumption of active materials (electrical steel, copper.).

Claims

1. An alternating current motor containing a stator, each phase of which includes diametrically positioned distinct poles with lumped coils and a squirrel-cage rotor consisting of rods connected by short-circuiting rings at the ends of the rotor, characterized in that the stator poles consist of two axially spaced halves connected by a jumper, while the poles and jumpers are lined from plates whose planes are parallel to the axial plane formed by the axis of this pole and the motor axis On the other hand, the poles are installed in the nests of the cylindrical cage, made of plates perpendicular to the poles of the poles, and the rotor is placed inside the cage and consists of two axially located halves, between which there is an additional short-circuit ring of the rotor winding.

2. The electric motor according to claim 1, characterized in that the two halves of each pole of the stator and the jumper between them are made lined in one piece from staple-shaped plates.

3. The electric motor according to claim 1, characterized in that the concentrated coils are located on the jumpers connecting the half poles.

4. The electric motor according to claim 1, characterized in that the concentrated coils are located on each of the two halves of the poles.

5. The electric motor according to claim 1, characterized in that in the magnetic cage in the middle between the sockets for poles, through round holes are made, and additional internal slots on both sides of them.

6. An alternating current motor containing a stator, each phase of which includes diametrically positioned distinct poles with concentrated coils and a rotor with a constant excitation source, characterized in that the stator strips consist of two axially spaced halves connected by a jumper, while the poles and jumpers are lined of plates whose planes are parallel to the axial plane formed by the axis of this pole and the axis of the motor, the poles are installed in the nests of the cylindrical cage, lined and of plates perpendicular to the pole plates, and the rotor is located inside the cage and consists of two axially spaced halves in which the polarities of the poles of the field from the source of constant excitation are opposite in different halves.

7. The electric motor according to claim 6, characterized in that the two halves of each pole of the stator and the jumper between them are made lined in one piece from staple-shaped plates.

8. The electric motor according to claim 6, characterized in that the concentrated coils are located on the jumpers connecting the halves of the poles.

9. The electric motor according to claim 6, characterized in that the concentrated coils are located on each of the two halves of the poles.

10. The electric motor according to claim 6, characterized in that in the magnetic cage in the middle between the jacks for the poles, through circular holes are made, and additional internal slots on both sides of them.