RU2109390C1

RU2109390C1 - Single-phase salient-pole electric motor

Info

Publication number: RU2109390C1
Application number: RU95105480A
Authority: RU
Inventors: Е.И. Ефименко; В.М. Пароятников; В.Н. Погодин
Original assignee: Чувашский государственный университет
Priority date: 1996-04-11
Filing date: 1996-04-11
Publication date: 1998-04-20
Also published as: RU95105480A

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: A.C. electric motors of small capacity ( asynchronous and synchronous ) designed for supply from single-phase network. Proposed electric motor has stator with concentrated winding in the form of coils put on salient poles having pole pieces. Magnetic circuit of stator is divided in axial direction into individual packages. Axial lines of pole pieces of different packages are turned through different angles with reference to axis of poles. Each package which axis of pole pieces is turned through certain angle in one direction corresponds to package of same axial length with turn of axis of pole pieces through same angle in reverse direction. In case of availability of middle package axes of its poles and pole pieces coincide. EFFECT: improved starting and working characteristics. 3 dwg

Description

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано при производстве двигателей малой мощности переменного тока, предназначенных для питания от однофазной сети. The invention relates to electrical engineering and can be used in the manufacture of low-power alternating current motors designed to be powered from a single-phase network.

Статор двигателей малой мощности с целью упрощения конструкции часто выполняют явнополюсным с сосредоточенными катушками обмотки статора, одеваемыми на полюса или ярмо. При этом уменьшается трудоемкость изготовления двигателей, повышается их технологичность. Для пуска в ход с целью получения вращающегося поля при питании от однофазной сети используется или вспомогательная фаза, в цепь которой включают фазосмещающий элемент (чаще всего конденсатор), или экранирование части пульсирующего потока однофазной обмотки одним или несколькими короткозамкнутыми витками, охватывающими части полюсов статора. Для сдвига экранированного и неэкранированного потоков в пространстве К3-витки располагают с одной стороны полюса так, чтобы их ось не совпадала с осью полюса. Такие двигатели называются двигателями с экранированными полюсами. Они получили широкое распространение с выпускаются серийно [1]. К числу основных недостатков этих двигателей можно отнести большое содержание высших гармоник поля (особенно третьей) и большую степень эллиптичности основной гармоники поля, обусловленную, в частности, малым углом между осями экранированного и неэкранированного потоков. Эти недостатки приводят к ухудшению как пусковых, так и рабочих характеристик двигателя. In order to simplify the design, the stator of low-power motors is often performed explicitly with concentrated stator winding coils, worn on poles or yokes. This reduces the complexity of manufacturing engines, increases their manufacturability. For launching in order to obtain a rotating field when powered by a single-phase network, either an auxiliary phase is used, the circuit of which includes a phase-shifting element (most often a capacitor), or shielding of a part of the pulsating stream of a single-phase winding with one or several short-circuited turns covering parts of the stator poles. To shift the shielded and unshielded flows in space, K3-coils are placed on one side of the pole so that their axis does not coincide with the axis of the pole. Such motors are called shielded pole motors. They are widespread with mass-produced [1]. The main disadvantages of these engines include a high content of higher field harmonics (especially the third) and a large degree of ellipticity of the fundamental field harmonic, due, in particular, to a small angle between the axes of the shielded and unshielded flows. These shortcomings lead to a deterioration in both starting and engine performance.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является известный двигатель [2]. Этот двигатель имеет два аксиально смещенных пакета магнитопровода с явно выраженными полюсами, К3-витки установлены только на полюсах одного пакета (охватывая его полностью), а полюсные наконечники полюсов двух пакетов в тангенциальном направлении смещены в разные стороны так, что линии, проходящие посредине между полюсными наконечниками двух пакетов, смещены на угол 90^o. При одинаковых аксиальных размерах двух пакетов угол между осями полей основной и экранирующей (К3-витков) обмоток в этом двигателе удается повысить только до 45^o (фиг. 1, где B- индукция поля основной обмотки, B_э - экранирующей).Closest to the proposed invention in technical essence is a known engine [2]. This motor has two axially shifted packages of the magnetic circuit with distinct poles, K3-turns are installed only on the poles of one package (covering it completely), and the pole tips of the poles of two packages in the tangential direction are shifted in different directions so that the lines passing in the middle between the pole tips of two packages are offset by an angle of 90 ^o . With the same axial dimensions of the two packets, the angle between the axis of the fields of the main and shielding (K3-turns) windings in this motor can be increased only to 45 ^o (Fig. 1, where B is the induction of the main winding field, B _e is shielding).

К недостаткам этого двигателя относится плохое использование магнитной системы и сохранение большого влияния высших гармоник поля, оказывающих отрицательное влияние на характеристики двигателя. Действительно, при одинаковой аксиальной длине двух пакетов статора потоки Ф₁ и Ф₂ в этих пакетах от основной обмотки статора одинаковы и смещены в пространстве на 90^o (фиг. 1, а, где B₁ - кривая распределения индукции поля Ф₁, В₂ - то же для поля Ф₂, В - индукция результирующего поля основной обмотки). Как следует из фиг. 1, на половине окружности зазора потоки двух пакетов от основной обмотки компенсируют друг друга (в пределах от 0 до π/2 и от π до 3/2π , используется только половина окружности ( от π/2 до π и от 3/2π до 2π ). В кривой результирующего поля сохраняется большое содержание высших пространственных гармоник. То же можно сказать и о поле экранирующей обмотки (фиг. 1, б).The disadvantages of this engine include poor use of the magnetic system and the preservation of a large influence of the higher harmonics of the field, which have a negative effect on the characteristics of the engine. Indeed, with the same axial length of the two stator packets, the fluxes Ф ₁ and Ф ₂ in these packets from the main stator winding are the same and are 90 ^° offset in space (Fig. 1a, where B ₁ is the distribution curve of the field induction Ф ₁ , В ₂ - the same for the field Ф ₂ , В - induction of the resulting field of the main winding). As follows from FIG. 1, at half the circumference of the gap, the flows of two packets from the main winding cancel each other out (from 0 to π / 2 and from π to 3 / 2π, only half the circle is used (from π / 2 to π and from 3 / 2π to 2π ). A large content of higher spatial harmonics is retained in the resulting field curve. The same can be said about the field of the shielding winding (Fig. 1, b).

В предлагаемом электродвигателе улучшение пусковых и рабочих характеристик достигается за счет улучшения качества поля (уменьшения содержания высших гармоник и степени эллиптичности поля, последнее - путем увеличения угла между осями экранированного и неэкранированного потоков и усиления поля экранирующей системы). In the proposed electric motor, an improvement in starting and operating characteristics is achieved by improving the field quality (reducing the content of higher harmonics and the degree of ellipticity of the field, the latter by increasing the angle between the axes of the shielded and unshielded flows and strengthening the field of the shielding system).

В электродвигателе переменного тока, содержащем шихтованный магнитопровод статора с сосредоточенной обмоткой в виде катушек, установленных на явно выраженных полюсах с полюсными наконечниками, при этом магнитопровод статора разделен в аксиальном направлении на отдельные пакеты, а пакеты образуют пары, в разных пакетах одной пары радиальные осевые линии полюсных наконечников повернуты в разные стороны относительно оси полюсов на один и тот же угол. In an AC electric motor containing a lined stator magnetic circuit with a concentrated winding in the form of coils mounted on pronounced poles with pole tips, the stator magnetic circuit is axially divided into separate packets, and the packets form pairs, in different packets of one pair radial axial lines pole tips are rotated in different directions relative to the axis of the poles at the same angle.

Двигатель может содержать дополнительный пакет, в котором осевые линии полюсных наконечников и полюсов совпадают. На полюсных наконечниках, повернутых в одном и том же направлении, и на наконечниках дополнительного пакета установлены общие короткозамкнутые витки. The motor may contain an additional package in which the axial lines of the pole pieces and poles coincide. On the pole pieces, rotated in the same direction, and on the tips of the additional package installed common short-circuited turns.

Кроме того, для усиления поля экранирующей системы и улучшения его гармонического состава на той части каждого полюса, которая образует общий пакет с полюсными наконечниками, повернутыми относительно оси полюсов на наибольший угол и установленными на них К3-витками, установлен дополнительный К3-виток. In addition, to strengthen the field of the shielding system and improve its harmonic composition, an additional K3 coil is installed on the part of each pole that forms a common package with pole tips, rotated relative to the axis of the poles at the greatest angle and mounted on them by K3 turns.

На фиг. 1 представлены кривые распределения магнитного поля вдоль окружности зазора в двигателе-прототипе; на фиг. 2 - эскизы поперечных сечений трех пакетов предлагаемого двигателя, на фиг. 3 - кривые распределения МДС основной и экранирующих обмоток. In FIG. 1 shows the distribution curves of the magnetic field along the circumference of the gap in the prototype engine; in FIG. 2 - sketches of cross sections of three packages of the proposed engine, in FIG. 3 - distribution curves of the MDS of the main and shielding windings.

Статор предлагаемого двигателя (фиг. 3) имеет магнитопровод, включающий в себя ярмо 1, полюса 2, вокруг которых наматывается основная обмотка 3, и полюсные наконечники 4,5,6. На фиг. 2 предполагается, что магнитопровод разделен в аксиальном направлении на пять пакетов, сечения трех из них показаны на фиг. 2. Средний пакет (фиг. 2, а) имеет полюсные наконечники 4, оси которых совпадает с осью полюсов 2, два других пакета имеют полюсные наконечники 5 и 6, оси которых повернуты по часовой стрелке по отношению к оси d полюсов 2 на углы α₁ и α₂ соответственно (фиг. 2, б и 2, в). На фиг. 2 не показаны еще два пакета, оси полюсных наконечников которых повернуты против часовой стредлки на уголы α₁ и α₂ и осевые длины которых равны длинам пакетов фиг. 2, б и 2, в соответственно. Эти пакеты могут быть расположены по другую сторону от среднего пакета фиг. 2, а (симметрично с пакетами фиг. 2, б и 2, в). Полюсные наконечники 4,5,6 пакетов фиг. 2, а, 2, б и 2, в охватываются общими короткозамкнутыми витками 7.The stator of the proposed engine (Fig. 3) has a magnetic circuit including a yoke 1, poles 2, around which the main winding 3 is wound, and pole tips 4,5,6. In FIG. 2, it is assumed that the magnetic circuit is axially divided into five packets; sections of three of them are shown in FIG. 2. The middle package (Fig. 2, a) has pole pieces 4, whose axes coincide with the axis of the poles 2, the other two packages have pole pieces 5 and 6, whose axes are rotated clockwise with respect to the axis d of the poles 2 at angles α ₁ and α _2, respectively (Fig. 2, b and 2, c). In FIG. 2, two more packages are not shown, the axis of the pole pieces of which are rotated counterclockwise by angles α ₁ and α ₂ and whose axial lengths are equal to the lengths of the packages of FIG. 2b and 2c respectively. These packets may be located on the other side of the middle packet of FIG. 2a (symmetrically with the packets of FIGS. 2, b and 2, c). The pole pieces 4,5,6 packages of FIG. 2a, 2b, and 2c are covered by common short-circuited turns 7.

Кроме того, для усиления поля экранирующей системы и улучшения его гармонического состава полюса крайнего пакета фиг. 2, в охватываются дополнительными К3-витками 8. На пакетах, расположенных симметрично с пакетами 2, б и 2, в (по другую сторону от среднего пакета), экранирующая система (короткозамкнутые витки) на полюсных наконечниках и полюсах отсутствует. Это обеспечивает сдвиг в пространстве МДС основной обмотки 3 (фиг. 3, а) и экранирующей системы витков 7 и 8 (фиг. 3, б). Основные гармонии указанных МДС сдвинуты в пространстве на угол θ . На фиг. 3 МДС обмотки статора и короткозамкнутых витков обозначены теми же номерами, которыми на фиг. 2 обозначены источники этих МДС, при этом 7, а обозначена МДС, создаваемая К3-витками 7 в пакете фиг. 2, а 7, б и 7, в - то же для пакетов фиг. 2, б и 2, в. С точки зрения действия на ротор МДС отдельных пакетов можно складывать с учетом длин пакетов. На фиг. 3 l обозначена общая осевая длина магнитопровода статора, l_o - осевая длина среднего пакета, l₁ - пакета фиг. 2, б, l₂ - пакета фиг. 2, в.In addition, to enhance the field of the shielding system and improve its harmonic composition of the pole of the extreme packet of FIG. 2c are covered by additional K3-turns 8. On packages located symmetrically with packages 2, b and 2, on (on the other side of the middle package), there is no shielding system (short-circuited turns) at the pole pieces and poles. This provides a shift in the space of the MDS of the main winding 3 (Fig. 3, a) and the shielding system of turns 7 and 8 (Fig. 3, b). The main harmonies of these MDSs are shifted in space by an angle θ. In FIG. 3 MDS of the stator winding and short-circuited turns are indicated by the same numbers as in FIG. 2, the sources of these MDSs are indicated, with 7, and the MDS created by K3-turns 7 in the packet of FIG. 2a, 7b and 7c - the same for the packets of FIG. 2, b and 2, c. From the point of view of the action on the rotor of the MDS of individual packets can be added taking into account the lengths of the packets. In FIG. 3 l indicates the total axial length of the stator magnetic circuit, l _o is the axial length of the middle packet, l ₁ is the packet of FIG. 2, b, l ₂ - package of FIG. 2, c.

Двигатель работает следующим образом. Однофазная обмотка 3 создает пульсирующее магнитное поле. В таком поле, как известно, двигатель не развивает пускового момента. Для создания вращающегося поля и получения пускового момента и используется несимметричное экранирование части пульсирующего поля, которая сцепляется с короткозамкнутыми витками 7 и 8 ("экранируется" ими). Образующиеся в К3-витками токи создают собственное пульсирующее поле, сдвинутое в пространстве (для чего К3-витки и располагают на полюсных наконечниках несимметрично, только с одной стороны каждого наконечника) и во времени по отношению к основному полю. В результате образуется вращающееся магнитное поле, двигатель развивает пусковой момент и приходит во вращение. The engine operates as follows. Single-phase winding 3 creates a pulsating magnetic field. In this field, as you know, the engine does not develop a starting torque. To create a rotating field and obtain a starting torque, asymmetric shielding of the part of the pulsating field is used, which is coupled to short-circuited turns 7 and 8 (it is “screened” by them). The currents generated in the K3 turns create their own pulsating field, shifted in space (for which K3 turns are placed asymmetrically on the pole terminals, only on one side of each tip) and in time with respect to the main field. As a result, a rotating magnetic field is formed, the engine develops a starting torque and comes into rotation.

Высшие пространственные гармонии поля (в первую очередь - третья и пятая) создают провалы в кривой момента от скорости вращения, что при увеличении мощности двигателя приводит к застреванию ротора на скоростях, близких к одной пятой или одной третьей от синхронной. Кроме того, в рабочем режиме высшие гармоники поля создают тормозные моменты, что уменьшает выходную мощность двигателя и его КПД. Higher spatial harmonies of the field (first of all, the third and fifth) create dips in the curve of the moment from the rotation speed, which with increasing engine power leads to jamming of the rotor at speeds close to one fifth or one third of the synchronous one. In addition, in the operating mode, higher field harmonics create braking moments, which reduces the output power of the engine and its efficiency.

Амплитуду произвольной ν-й гармоники любой кривой можно характеризовать специальным коэффициентом ее формы. Например, для кривой МДС коэффициент формы кривой по ν-й гармонике

где F_m - амплитуда кривой (фиг. 3).The amplitude of an arbitrary νth harmonic of any curve can be characterized by a special coefficient of its shape. For example, for the MDS curve, the coefficient of the shape of the curve for the νth harmonic

where F _m is the amplitude of the curve (Fig. 3).

В двигателе-прототипе как кривая поля основной обмотки (фиг. 1, а), так и кривая поля экранирующей обмотки (фиг. 1, б) имеют высокое удельное содержание высших гармоник. По случайному совпадению модули коэффициентов формы кривой для обоих полей одинаковы для всех гармоник:

, но для каждого поля эти коэффициенты имеют свои значения. При этом для кривой фиг. 1, а

а для кривой фиг. 1, б
k_fν = ±1
Основное достоинство предлагаемого двигателя по сравнению с аналогами и прототипом заключается в улучшении формы полей, уменьшении доли высших пространственных гармоник. Из фиг. 3, а видно, что МДС сосредоточенной обмотки 3 предлагаемого двигателя с точки зрения действия на ротор эквивалентно ступенчатой кривой, характерной для распределенной по пазам обмотки. При этом если у обычных электрических машин с распределенной обмоткой в силу технологических и конструктивных требований расстояния между ступенями кривой и величины этих ступеней одинаковы, то в предлагаемом двигателе существуют дополнительные возможности регулирования кривой за счет подбора соотношений между углами поворота полюсных наконечников, осевых длин различных пакетов и выбора числа пакетов.In the prototype engine, both the field curve of the main winding (Fig. 1, a) and the field curve of the shielding winding (Fig. 1, b) have a high specific content of higher harmonics. By coincidence, the moduli of the coefficients of the curve shape for both fields are the same for all harmonics:

, but for each field, these coefficients have their own values. Moreover, for the curve of FIG. 1 a

and for the curve of FIG. 1 b
k _fν = ± 1
The main advantage of the proposed engine in comparison with analogues and prototype is to improve the shape of the fields, reducing the proportion of higher spatial harmonics. From FIG. 3a, it can be seen that the MDS of the concentrated winding 3 of the proposed engine from the point of view of the action on the rotor is equivalent to a step curve characteristic of a winding distributed over the grooves. Moreover, if conventional electric machines with distributed windings, due to technological and design requirements, the distances between the steps of the curve and the values of these steps are the same, then in the proposed engine there are additional possibilities for adjusting the curve by selecting the ratios between the rotation angles of the pole pieces, the axial lengths of the various packages and selection of the number of packets.

Коэффициент формы кривой МДС основной обмотки статора в многопакетном двигателе по произвольной ν-й гармонике

Для выбранного в качестве примера пятипакетного двигателя (фиг. 3, а), в котором α₁ = 30^o, α₂ = 60^o, l_o/l=0,25, l₁/l = 0,208, д₂/l=0,167
K_f1=0,778; K_f3=0,084; K_f5=0,056.The shape coefficient of the MDS curve of the main stator winding in a multi-package motor at an arbitrary νth harmonic

For a five-pack engine selected as an example (Fig. 3a), in which α ₁ = 30 ^o , α ₂ = 60 ^o , l _o / l = 0.25, l ₁ / l = 0.208, d ₂ / l = 0.167
K _f1 = 0.778; K _f3 = 0.084; K _f5 = 0.056.

Как видим, в этом примере практически уничтожены 3-я и 5-я гармоники поля. У обычного однопакетного двигателя, поперечное сечение которого совпадает с фиг. 2, а, коэффициенты формы кривой поля основной обмотки статора по всем гармоникам близким к единице. Можно подобрать варианты (например, графическим путем), которые обеспечивают большее , чем в примере значение основной гармоники МДС. Например, при l_o/l=0,35; l_o/l=0,2, l₂/l=0,125, α₁ = 37,5^o, α₂ = 64,5^o
K_f1=0,86; K_f3=0,045; K_f5=0,152,
т. е. амплитуда поля 1-й гармоники увеличена на 10% по сравнению с примером фиг. 3, а.As you can see, in this example, the 3rd and 5th harmonics of the field are almost destroyed. For a conventional single-pack engine, the cross section of which coincides with FIG. 2a, the coefficients of the shape of the curve of the field of the main stator winding for all harmonics close to unity. You can choose options (for example, graphically) that provide a greater than in the example value of the fundamental harmonic of the MDS. For example, when l _o / l = 0.35; l _o / l = 0.2, l ₂ / l = 0.125, α ₁ = 37.5 ^o , α ₂ = 64.5 ^o
K _f1 = 0.86; K _f3 = 0.045; K _f5 = 0.152,
i.e., the amplitude of the 1st harmonic field is increased by 10% compared with the example of FIG. 3 a.

Существенно улучшается в предлагаемом электродвигателе и кривая поля экранирующей системы (фиг. 3,б), оно усиливается по величине, за счет чего улучшается качество общего статора (уменьшается степень его эллиптичности). У обычного двигателя (фиг. 2,а) поле экранирующей системы существует только в пределах от угла β до π/2 (фиг. 3,б); оно подобно полю 7, а, показанному на фиг. 3, б пунктиром. Коэффициенты формы этого поля по 1-й и 3-й гармоникам K_f1=0,422; K_f3=0,965.The field curve of the shielding system (Fig. 3, b) also substantially improves in the proposed electric motor, it increases in magnitude, due to which the quality of the common stator improves (its ellipticity decreases). In a conventional engine (Fig. 2, a) the field of the shielding system exists only in the range from the angle β to π / 2 (Fig. 3, b); it is similar to field 7a shown in FIG. 3, b dotted line. The coefficients of the shape of this field for the 1st and 3rd harmonics K _f1 = 0.422; K _f3 = 0.965.

В предлагаемом двигателе поле экранирующей системы складывается из полей 7, а, 7, б, 7, в и 8 и имеет показанный на фиг. 3, б ступенчатый характер распределения. Для кривой этого поля K_f1=0,66; K_f3=0,25, т.е. удельный вес 1-й гармоники увеличен более чем в 1,5 раза, а 3-й - снижен почти в 4 раза. Кроме того, угол между 1-ми гармониками полей основной и экранирующей обмоток повышен с 65 до 75^o.In the proposed engine, the field of the shielding system is composed of fields 7, a, 7, b, 7, c and 8 and has the one shown in FIG. 3, b the stepwise nature of the distribution. For the curve of this field, K _f1 = 0.66; K _f3 = 0.25, i.e. the specific gravity of the 1st harmonic is increased by more than 1.5 times, and the 3rd is reduced by almost 4 times. In addition, the angle between the 1st harmonics of the fields of the main and shielding windings is increased from 65 to 75 ^o .

С уменьшением мощности двигателя, когда требования к удельному содержанию высших гармоник понижаются, достаточные результаты могут быть получены при трехпакетной конструкции, когда кроме среднего пакета выполняются еще два симметрично расположенных пакета с углом поворота полюсных наконечников на угол α в разные стороны, а также при двухпакетной конструкции (средний пакет отсутствует). Кривая МДС основной обмотки будет при этом иметь меньшее число ступеней, однако и при этом вполне можно выполнить такие, например, требования: уменьшить третью и пятую гармонику не менее чем втрое при уменьшении основной гармоники не более чем на 10% (трехпакетный двигатель) или уменьшить не менее чем втрое оказывающую наиболее отрицательное влияние третью гармонику при уменьшении первой гармоники не более чем на 10% (двухпакетный двигатель). With a decrease in engine power, when the requirements for the specific content of higher harmonics are reduced, sufficient results can be obtained with a three-pack design, when in addition to the middle pack, two more symmetrically arranged packs are executed with the angle of rotation of the pole pieces at an angle α in different directions, as well as with a two-pack design (middle pack is missing). The MDS curve of the main winding will have fewer steps, however, and it is quite possible to fulfill the following requirements, for example: reduce the third and fifth harmonics by at least three times while reducing the main harmonic by no more than 10% (three-pack engine) or reduce the third harmonic having at least three times the most negative effect when the first harmonic is reduced by no more than 10% (two-pack engine).

Для примера приводим некоторые варианты (табл. 1,2). For example, we give some options (table. 1,2).

При прочих равных условиях нужно стремиться к увеличению угла α , так как это приводит к увеличению угла θ между осями основного и экранирующего поля статора. All other things being equal, we must strive to increase the angle α, since this leads to an increase in the angle θ between the axes of the stator main and screening fields.

В предлагаемом двигателе кроме всего прочего обеспечивается достаточно равномерная проводимость для полей ротора, что также способствует улучшению характеристик двигателя. In the proposed engine, among other things, a sufficiently uniform conductivity for the rotor fields is provided, which also contributes to the improvement of the engine performance.

Claims

1. A single-phase explicit pole motor containing a lined stator magnetic circuit with a concentrated winding in the form of coils mounted on clearly defined poles with pole tips, the stator magnetic circuit being axially divided into separate packets, characterized in that the packets form pairs in different packets of one pair the radial axial lines of the pole pieces are rotated in different directions relative to the axis of the poles at the same angle.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the stator contains an additional package in which the axial lines of the pole pieces and poles coincide.

3. The engine according to p. 2, characterized in that on the pole pieces, rotated in the same direction, and on the tips of the additional package installed common short-circuited turns.

4. The engine according to claim 3, characterized in that on the part of each pole, which forms a common package with pole pieces, rotated relative to the axis of the poles at the greatest angle and on which short-circuits are installed, an additional short-circuited coil is installed.